Михаил Сапожников
Жизнь и идеи Бруно Понтекорво

12. Enemy Alien

Когда США вступили в войну с Гитлером и его союзниками, все эмигранты немецкого и итальянского происхождения получили статус «enemy alien» – «вражеский иностранец». В Англии таких иностранцев направляли в концентрационные лагеря или высылали на остров Мэн. В США такого не было, но Бруно вспоминает [6], как вел грузовик с геофизической аппаратурой и совершил неправильный обгон. Сразу же был остановлен полицейскими, которые мгновенно поняли, что он не американец, а еnemy alien и потребовали объяснить, кто он такой, что везет, куда направляется. Тут Бруно совершил еще одну ошибку – сунул руку в карман, чтобы достать документы, и чуть было не был застрелен на месте [44].

В сентябре 1942 г. дом Понтекорво посетили два агента ФБР. Проверка осуществлялась в рамках стандартной деятельности по надзору за enemy alien. Бруно дома не было, а Марианна, как видно из отчета агентов ФБР, приведенного в [5], притворилась даже не знающей слова «коммунист»:

«25 сентября 1942 г. был проведен обыск в доме 219 по South Florence Street, Tulsa, Oklahoma в связи со статусом его резидента enemy alien. Во время обыска было замечено, что хозяин имеет 25–30 книг и памфлетов, содержащих коммунистические идеи. Жена резидента была допрошена, и ей был задан вопрос, не является ли ее муж коммунистом, на что она ответила, что не знает, что такое коммунист, хотя она говорила по-английски хорошо и понимала все вопросы, которые ей задавались до этого».

Итак, во время пребывания в США коммунистические взгляды Бруно никуда не исчезли. Он не только продолжал читать коммунистическую литературу, но и второго сына, родившегося в 1944 г., назвал Тито Нильс (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/8). Нильс – дань скандинавским корням Марианны, а Тито – в честь лидера партизанского движения в Югославии Иосипа Броз Тито. Что еще может лучше характеризовать его политические предпочтения? Практически всю свою сознательную жизнь Бруно был убежденным коммунистом. Поэтому для него выбор СССР в качестве места для работы не был чем-то запредельно чуждым.

Обыск в доме Понтекорво, несмотря на свой внешне невинный характер, имел далеко идущие последствия. С бюрократической точки зрения, в досье ФБР на Бруно появилась новая бумага. Теперь всякая проверка для получения работы на ядерных объектах должна была учитывать эту информацию. Ф. Клоуз, как мы увидим, из существования этого документа, построит целую версию о причастности известного советского разведчика Кима Филби к делу Понтекорво.

13. Чок-ривер

С. М. Биленький вспоминает [45], что Бруно был недоволен контрактом с WSI, по которому вся интеллектуальная собственность, созданная в рамках контракта, cчиталась собственностью WSI. Бруно получал много предложений от нефтяных компаний, поскольку считался первоклассным специалистом по новым методам поисков нефти. Даже после войны к нему обращались и итальянские, и французские нефтедобывающие компании [5]. В Советском Союзе тоже были известны работы Понтекорво, их развитию способствовал Г. Н. Флеров^[8]. Если бы Бруно продолжил заниматься нейтронным каротажем, то наверняка стал бы богатым человеком. Однако жизнь сложилась иначе.

В своих каротажных приборах Бруно использовал радий-бериллиевый источник, который давал быстрые нейтроны с энергиями порядка 2–6 МэВ. Он захотел использовать для каротажа медленные нейтроны, у которых сечение взаимодействия с веществом намного больше, и стал искать радиоактивные элементы, которые бы давали нейтроны с меньшими энергиями. Эти поиски привели его в физические лаборатории Нью-Йорка, Чикаго, Филадельфии, где он встретил старых парижских друзей Георга Плачека и Ханса фон Халбана, а также своего учителя – Энрико Ферми.

Бруно пишет о встречах с Ферми в статье, посвященной годовщине его смерти [46]. Бруно рассказал о своем новом занятии и был удивлен, что друзья заинтересовались его данными по взаимодействию нейтронов с кальцием и калием.

Их интерес объяснялся очень просто: именно в это время Ферми работал в Чикаго над созданием ядерного реактора в американском атомном проекте, а Плачек, Коварский и фон Халбан занимались тем же самым в английском атомном проекте. Как мы помним, после немецкого вторжения во Францию, сотрудники группы Жолио вместе с запасом дейтерия бежали к англичанам. Там они продолжили работу над проектом под скромным названием Tube Alloys («Трубные сплавы»). Целью проекта было создание ядерного реактора для наработки плутония – горючего для атомной бомбы. Работы решили вести в Канаде, чтобы избежать риска потери драгоценных материалов в случае, если бы нацисты высадились в Англии. В проекте работали в основном эмигранты из Европы. Основной костяк составляли сотрудники лаборатории Жолио. Единственным англичанином был некто Алан Нанн Мэй. Научным руководителем проекта был Ханс фон Халбан.

В ядерном реакторе должна была поддерживаться цепная ядерная реакция. В природе, на урановых месторождениях деление ядер урана происходит постоянно, однако никакой цепной реакции не возникает. Освобождается слишком мало нейтронов деления. Чтобы повысить выход нейтронов, надо было воспользоваться открытием группы Ферми – замедлить нейтроны в какой-то водородосодержащей среде. Тогда взаимодействие нейтронов с веществом усиливается, и коэффициент размножения нейтронов становится больше единицы. При создании реактора необходимо учитывать взаимодействие нейтронов с самыми разными веществами, поэтому данные Бруно по сечениям реакций нейтронов с породообразующими элементами были очень интересны его друзьям.

В результате, в 1943 г. Бруно получил предложение работать в англо-канадском проекте Tube Alloys. Руководитель проекта был против приглашения Понтекорво, но Ханс фон Халбан убедил его, что физика уровня Бруно, с богатым опытом работы с нейтронами, в Америке не найти. Тем более, что Бруно не только участвовал в исторических опытах Ферми, работал с Жолио, но и существенно повысил свою квалификацию в деятельности по нейтронному каротажу, где задачу взаимодействия нейтронов с различными водородосодержащими элементами ему приходилось решать каждый день. Понтекорво был проверен британской секретной службой и получил одобрение на участие в проекте.

Место строительства реактора было выбрано в 130 милях западнее города Оттавы на реке Оттава, вблизи деревушки Чок-Ривер. Там решили строить ядерный реактор на основе тяжелой воды, который, естественно, назвали X (Nuclear Reactor X), сокращенно NRX. Руководитель физического отдела Алан Нанн Мэй предложил для начала построить прототип реактора ZEEP (Zero Energy Experimental Pile), чтобы без лишних технических проблем, связанных со строительством массивной защиты от нейтронов, проверить различные конструкторские решения. Руководителем проекта стал другой сотрудник группы Жолио – Лев Коварский.

Чем занимался Понтекорво в Чок-Ривер? Первое его изыскание относилось к выбору формы реактора: делать его в виде однородного (гомогенного) материала или гетерогенного, когда сборка из металлических урановых стержней погружается в бассейн с тяжелой водой. Бруно показал, что в гомогенном реакторе не будет цепной реакции, поэтому была выбрана конструкция в виде гетерогенного реактора.

Бруно в составе группы теоретиков рассчитывал параметры решетки реактора. Он интенсивно обсуждал эти расчеты с Ферми. В течение 1944 г. он шесть раз ездил в Чикаго [5]. Американские службы безопасности как могли препятствовали передаче любой информации. Но физики как могли сопротивлялись, поскольку по ходу строительства реакторов столкнулись с одними и теми же практическими проблемами. Хотя общая физическая идея была ясна, надо было решить целый ряд более прозаических, но тем не менее критически важных проблем. Например, какую тактику избрать для охлаждения реактора? Как лучше расположить урановые стержни? Для решения этих технических проблем в первую очередь нужно было знать, как нейтроны взаимодействуют с различными веществами.

Бруно делал важные расчеты защиты реактора, в ходе которых он проводил конкретные эксперименты. Тут еще раз проявилась уникальная способность Бруно – не только заниматься экспериментальной деятельностью, но и решать различные теоретические задачи. В течение 1943–1945 гг. Понтекорво написал 25 отчетов по разным вопросам конструкции реактора.

В 1945–1946 гг. Бруно работал над созданием нейтронных счетчиков с BF₃, которые должны были зафиксировать начало работы реактора. Именно поэтому он был одним из четырех физиков, которым доверили присутствовать на пульте управления во время пуска реактора NRX 21–22 июля 1947 г. [47]. Несколько лет реактор NRX был самым мощным источником нейтронов в западном мире.

В 1944 году Бруно принял участие в интересном проекте по поиску месторождений урана на севере Канады. Еще во время работ по нейтронному каротажу он заметил, что ионизационные камеры могут быть использованы не только для регистрации наведенной радиации, вызванной облучением нейтронами, но и для регистрации естественной радиации, которая присуща ряду горных пород, например, залежам урановой руды. Уже тогда, вместе с С. Щербацким, были проведены первые эксперименты, доказавшие возможности новой методики.

Как-то раз Бруно рассказал об этой технике Гилберту Лабину – директору компании «Эльдорадо», которая добывала уран. С началом работы над атомным проектом уран стал важным стратегическим материалом, имеющихся его запасов стало катастрофически не хватать. Поиск месторождений урана стал важной задачей. Лабин сильно заинтересовался открывающимися перспективами, специально съездил в Талсу и договорился с С. Щербацким сконструировать портативную ионизационную камеру, которую можно было бы использовать в полевых условиях для поиска урана.

В результате с 9 по 14 сентября 1944 была предпринята объединенная экспедиция WSI и Tube Alloys в район Большого Медвежьего озера на севере Канады. Экспедиция была оснащена счетчиками Гейгера и ионизационными камерами. Они оказались одинаково успешны при детектировании открытых минералов, однако ионизационные камеры – техника, в которой Бруно хорошо разбирался, – работали намного лучше, когда уран и его минералы залегали на небольшой глубине (до 30 см) под поверхностью.

31 октября 1944 г. в Вашингтоне прошло совещание 16 экспертов, представлявших все учреждения, имеющие отношение к поиску месторождений урана. Целью совещания было обсуждение вопросов, связанных с поиском месторождений, в том числе аппаратуры для поиска. Бруно был направлен на это совещание от Tube Alloys. Надо отметить, что работа по любым детекторам радиоактивного излучения, которые могли бы быть использованы для поисков урана, была в то время засекречена. Главный секрет, которым обладал Бруно, состоял именно в опыте работы с детекторами для поиска урана [5].

В Канаде семья Бруно существенно увеличилась: в 1944 г. родился второй сын, которого назвали Тито (https://t.me/bruno_pontecorvo_photo/8), а в 1945 г. – третий сын, Антонио.

Жили в небольшой деревушке Дип-Ривер, с населением около 4000 человек, расположенной неподалеку от объекта. Вокруг была прекрасная, почти нетронутая природа – хороший сосновый лес, жители промышляли охотой на оленей, по ночам выли волки. В центре городка стояла гора льда, присыпанного землей. Из этого хранилища каждый день развозили по домам лед для холодильников. На одном из близлежащих холмов сын Бруно Джиль первый раз встал на горные лыжи. Дом Понтекорво сохранился до наших дней, в чем Джиль убедился, приехав недавно в Дип-Ривер по приглашению своего канадского друга детства [36].

Бруно блистал в местном теннисном мире. Он стал первым победителем локального теннисного турнира, который продолжает разыгрываться до сих пор. Веселый и общительный красавец получил прозвище Рамон Новарро – в честь популярного тогда киноактера – символа жгучего латино. Что стоит одно описание Лауры Ферми [37]:

«Бруно был необычайно красив. Быть может, в нем привлекала удивительная пропорциональность его фигуры. Все у него было как раз в меру, ничего не следовало бы прибавлять или убавлять ни в ширине плеч и груди, ни в длине ног или рук. Может быть, он научился так ловко и складно держаться на теннисных площадках, где он рано стал чемпионом. А хорошие манеры были у него природным даром».

Бруно приехал в Монреаль 7 февраля 1943 г. А уже 29 июля 1943 г. в Кремле знали об этом из справки начальника 3 отдела 1-го Управления НКГБ CССР, полковника Г. В. Овакимяна «О работах по новому источнику энергии – урану» [48]. Там четко написано:

«Работа по быстрым нейтронам сосредоточена в Ливерпуле (проф. Чедвик, Фриш, Ротблат), по медленным нейтронам – в Кембридже (Халбан, Коварский, Мэй), и работы по разделению изотопов – в Оксфорде (проф. Саймон, Пайерлс). Халбан вместе с большей частью своей бригады уехал в Монреаль, Канада, где к ним присоединились проф. Оже, Плачек и Понтекорво».

Итак, кто такой Понтекорво и чем он занимается, КГБ знал еще в 1943 г.

14. Хлор-аргонный метод

Реакторы создавались для наработки материалов для атомной бомбы. Но Понтекорво привлек другой аспект реакторной физики – испускание нейтрино. Ядерные реакции, протекающие в реакторе, сопровождаются испусканием значительного числа нейтрино. И Бруно задумался над тем, как можно зарегистрировать эти замечательные частицы.

Существование нейтрино было введено Вольфгангом Паули для того, чтобы объяснить простую, но загадочную вещь. Энергетический спектр электронов в реакции бета-распада нейтрона был непрерывным. Почему это удивительно? Что наблюдал экспериментатор – нейтрон разваливался на протон и электрон (Рис. 14-1):

n → p + e— (1)

Масса нейтрона известна, масса протона – тоже известна, она чуть меньше, чем масса нейтрона, электрон должен вылетать со строго одинаковой энергией. Его энергетический спектр должен представлять собой просто одну линию. Вместо этого приборы регистрировали, что электроны имеют непрерывный энергетический спектр, то есть могут иметь разные энергии. Чтобы объяснить это явление, Паули предположил: «Непрерывность бета-спектра станет понятной, если предположить, что при бета-распаде с каждым электроном испускается такой “нейтрон”, что сумма энергии “нейтрона” и электрона постоянна…»

Рис. 14-1. Видимая схема бета-распада нейтрона.

Паули имел в виду, что в реакции (1) на самом деле в конечном состоянии образуются три частицы (Рис. 14-2):

из которых мы регистрируем только электрон, а нейтрино, которое Паули называл нейтроном, не оставляет следов в наших обычных детекторах. Постоянной должна оставаться сумма энергий электрона и нейтрино, и энергия электрона может меняться в зависимости от того, сколько энергии унесет нейтрино.

Довольно быстро была оценена проникающая способность нейтрино. Она оказалась колоссальной. Длина поглощения нейтрино с энергией 1 МэВ в воде составляет 35 световых лет. Нейтрино легко проходят не только через Землю, но и спокойно выходят из внутренних областей звезд.

Рис. 14-2. Бета-распад нейтрона.

Вообразить препятствие толщиной в 35 световых лет довольно трудно. Так же как и представить себе частицу, способную пройти через весь земной шар без какого-либо взаимодействия. Известного американского писателя Джона Апдайка такие свойства нейтрино настолько задели, что он назвал стихотворение, посвященное им, «Космическая наглость».

Оно хорошо демонстрирует, насколько бедны наши эпитеты и наивны сравнения:

 
                        Neutrinos, they are very small.
                        They have no charge and have no mass
                        And do not interact at all.
                        The earth is just a silly ball
                        To them, through which they simply pass,
                        Like dustmaids down a drafty hall
                        Or photons through a sheet of glass.
 
 
                        Нейтрино, они очень маленькие,
                        Они не имеют заряда и не имеют массы,
                        И они не взаимодействуют совсем.
                        Земля для них просто глупый шар,
                        Через который они легко проходят,
                        Как пылинки на сквозняке
                        Или фотоны сквозь стекло.
 

Как «фотоны, сквозь стекло»?! Какая чудовищная недооценка!

Но если частица свободно проходит через земной шар, то как ее можно зарегистрировать? Недаром Паули сокрушался: «Я сделал ужасную вещь: я изобрел частицу, которую невозможно будет зарегистрировать».

Однако он недооценил мощность разума и изобретательность своих коллег-экспериментаторов. Первое предложение реального эксперимента по регистрации нейтрино было сделано Бруно Понтекорво в 1946 г. [49]. Его не испугала колоссальная проникающая способность нейтрино. Исключительно красивая идея Бруно родилась из его опыта исследований радиоактивных веществ и работы на ядерном реакторе, который является источником огромного потока нейтрино (а точнее – антинейтрино).

В реакторе при делении урана-235 возникают ядра-осколки с избыточным числом нейтронов. Запускается цепочка реакций бета-распада (2), при которых избыточные нейтроны превращаются в протоны. В среднем при делении одного ядра урана испускается шесть нейтрино. В этом смысле каждый ядерный реактор – даровой источник нейтрино. Для детектирования нейтрино Бруно предложил поставить рядом с реактором контейнер с хлор-содержащей жидкостью. При взаимодействии с нейтрино хлор переходит в радиоактивный аргон-37.

ν + ³⁷Cl →e− + ³⁷Ar (3)

Аргон-37 радиоактивен, период полураспада T = 35,04 дня. Признаком аргона-37 являлось бы испускание электрона с энергией 2,82 кэВ. Аргон – инертный газ, выделяется из хлор-содержащей жидкости простым кипячением. Далее он пропускается через детектор, в качестве которого Бруно предполагал использовать пропорциональный счетчик. Обычный аргон-40 никаких сигналов в пропорциональном счетчике давать не будет, а если газ, выделенный из облученной жидкости, дает срабатывания от электронов с известной энергией – это доказывает образование аргона-37 и, следовательно, взаимодействие нейтрино с веществом детектора.

В качестве вещества детектора Бруно предложил использовать тетрахлорэтилен C₂Cl₄ – это вещество стандартно используют в химчистке. Бруно даже обсуждал с коллегами, как можно провести опыт: загнать цистерну с C₂Cl₄ в горный туннель, чтобы снизить фон от космических лучей. Сквозь толщу горы должны были проникать только нейтрино.

В реальности цистерны было бы маловато. Когда этот опыт был проделан Раймондом Дэвисом в середине 60-х годов, он использовал 615 тонн тетрахлорэтилена. В этой массе порядка 10³⁰ атомов, а после облучения солнечными нейтрино в установке образовывалось 10 (!) атомов аргона-37 в месяц [50]. Сам факт того, что можно выделить 10 атомов радиоактивного аргона на фоне 10³⁰ атомов обычного вещества, демонстрирует колоссальную чувствительность хлор-аргонового метода, предложенного Бруно. Привычная нам фраза для обозначения чего-то редкого – поиск иголки в стоге сена – просто ни о чем в сравнении с чувствительностью хлор-аргоновой установки.

Хотелось бы еще раз обратить внимание на красоту и оригинальность предложения Бруно. Он не просто нашел какую-то реакцию с суперогромным сечением взаимодействия нейтрино. Нет, был найден процесс с аномально низким уровнем фона и четкой экспериментальной сигнатурой.

В конце жизни Бруно давал интервью Мириам Мафаи, которая спросила его [6]: «Как вы думаете, каково ваше главное качество?» Бруно отвечал: «Как у физика, у меня есть немного фантазии».

Хлор-аргоновый метод – прекрасная иллюстрация проявления фантазии, оригинального мышления Бруно. В дальнейшем мы неоднократно будем сталкиваться с примерами его красивых решений различных физических проблем.

Надо подчеркнуть, что в исторической работе [49] Бруно не только предложил способ детектирования нейтрино, но и выдвинул еще одну важную идею – использовать Солнце как источник нейтрино. Это дало начало новой области физики – нейтринной астрономии, привело к опытам, в которых был обнаружен недостаток солнечных нейтрино и, в конечном счете, осцилляции нейтрино.

В сюжете о хлор-аргоновом методе есть несколько нюансов. Во-первых, в реакции бета-распада (2) вместе с электроном испускается антинейтрино. То, что нейтрино и антинейтрино – разные частицы, тогда никто не знал. Поэтому, если действительно разместить емкость с хлором рядом с реактором, ничего не произойдет – радиоактивный аргон-37 не образуется. Солнце же испускает именно нейтрино, поэтому детектор с хлором надо облучать солнечными нейтрино. Тем не менее работа Бруно [49] была засекречена до 1949 г., чтобы враги не смогли узнать о характеристиках ядерного реактора, измеряя поток его антинейтрино.

Однако идея мониторировать работу ядерного реактора, детектируя антинейтрино другими методами, вполне разумна и недавно была реализована.

Интересно, как отнеслись к предложению Бруно его коллеги. Вот что он пишет [52]:

«В 1946 г. мне стало ясно, что создание ядерных реакторов коренным образом меняет положение о поисках нейтрино. В то время сцинтилляционные счетчики еще не были изобретены, и я предложил радиохимический метод регистрации нейтрино, который в настоящее время используется для регистрации солнечных нейтрино. Теперь я хотел бы заметить, что долго еще после моего предложения отношение общественного научного мнения к возможному детектированию нейтрино не изменялось (даже после того, как я сконструировал крайне низкофоновый счетчик с большим коэффициентом усиления для регистрации редких событий распада ³⁷Ar). Отчетливо помню, что, когда я в 1949 г. говорил с Энрико Ферми, он очень интересовался рассматриваемыми мною как побочный результат попытки создания нейтринного детектора методическими аспектами счетчиков и исследованиями на них L-захвата ³⁷Ar и спектра трития, но оставался довольно равнодушным к проблеме нейтринного детектора».

 

То есть для Ферми задача на Нобелевскую премию – обнаружить нейтрино, интереса не представляла, настолько он считал ее невыполнимой. Вот низкофоновые счетчики, которые сделал Бруно, – это совсем другое дело. Эмилио Сегре очень точно охарактеризовал эту черту Ферми, сказав, что Дон-Кихот никогда не был его героем.